Enhancement of freeze/thaw durability in polymer electrolyte fuel cells

Abstract

최근 고분자전해질연료전지의 상용화가 휴대용 및 자동차용 연료전지를 중심으로 급속히 진행되고 있다. 이에 따라 연구개발의 중심은 점점 더 연료전지의 내구성을 확보하는 방향으로 옮겨가고 있다. 특히 MEA의 내구성에 대해서는 많은 연구들이 진행되고 있다. 일반적으로 고분자전해질연료전지는 100 ℃이하의 운전조건에서 작동하게 되며, 생성된 또는 응축된 액상의 물이 연료전지의 작동온도에 따라 flooding 현상 혹은 동결문제를 일으킬 수 있다. 특히 높은 전류밀도에서 운전할 경우 수분의 응축 속도는 더욱 커진다. 물 관리 문제는 크게 작동 조건과 시동/종료과정 두 가지로 나누어 생각할 수 있다. 특히 자동차의 경우, 겨울철 필연적으로 영하의 운전조건을 경험하게 되므로, 동결에 의한 성능 저하 문제는 연료전지 자동차의 상용화를 위해 반드시 해결되어야 할 문제로 볼 수 있다. 본 연구는 고분자전해질연료전지 시스템이 영하조건에 노출될 경우, 연료전지 내구성을 향상시킬 수 있는 GDL을 선정하고, 나아가 내구성 향상을 위한 몇 가지 방안을 제시하는데 그 목적이 있다. 동결/해동 조건에서 최적 GDL을 선정하기 위해 felt, paper, cloth 세 종류의 GDL을 선정한 뒤 -30 ℃~70 ℃ 온도 범위를 50회씩 반복 경험 시킨 후 성능, 촉매활성면적 변화, 수소 투과도, 내부저항 등을 확인하였다. 동결/해동 50 회 실험 후 성능은 felt type의 경우 큰 변화가 일어나지 않았으나, cloth와 paper type의 경우 각각 초기 성능의 약 36%, 40%가 감소하였다. 기체투과도 또한 felt type은 큰 변화가 없으나, cloth와 paper type은 증가하였다. 촉매활성면적은 felt, paper, cloth 모두 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었다. 이는 GDL이 촉매활성면적에 큰 영향을 주지 않음을 나타낸다. 성능 저하의 원인을 파악하기 위해 단위전지 내부 저항을 측정하였다. 그 결과 felt type은 50회 후 접촉저항의 증가가 크게 증가하지 않았지만, cloth와 paper type은 초기의 1.5-2배 정도 증가함을 확인할 수 있었다. 접촉 저항 증가의 원인을 파악하기 위해 SEM 사진 분석을 하였다. 이를 통해 전해질 막과 전극층 사이의 계면 손상을 확인할 수 있었다. 동결/해동에 의한 성능저하의 주 원인은 촉매층 탈리로 인해 일어났음을 확인할 수 있었고, 특히 이 촉매층 탈리는 촉매층을 잘 지지하지 못하는 채널아래에서 더욱 심하게 일어남을 알 수 있었다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 felt 같은 보다 딱딱한 GDL을 사용하여야 하고, 채널층을 좀더 촘촘하게 설계하는 방안을 제시할 수 있다.; The polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) have advantages in high efficiencies and environmentally friend characteristics. PEFC technology can be used to the residential power generation, automobile, portable and so on. The water management is one of vital point in PEFC operation, because the PEFC generally operates under the temperature of 100 ℃. The operating conditions of dry as well as flooding can affect on the performance and the durability of PEFC. The water management problem can be considered in the two categories. One is for the ordinary operating conditions and the other is for the start-up/shut-down pr℃ess. Particularly start-up/shut-down problem at the sub-zero temperature is one of critical issues for the successful commercialization of PEFC vehicles. Based on the recent studies we have f℃used this study on the two key areas: 1) finding out the best gas diffusion layer (GDL) at sub-zero condition; and 2) suggesting the effective measurements for the improvement of the durability at the freeze/thaw conditions. The three kinds of GDLs such as felt, paper and cloth type were used to find out the best GDL, by controlling the cell temperature from -30 to 70 ℃. It is revealed that the good mechanical support between interfaces of materials can help enhancing the durability of PEFCs in the sub-zero condition.